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L’ITWS, la solution solaire pour une production accrue de dihydrogène

ActualitéClassé sous :développement durable , dihydrogène , production d'hydrogène

La production solaire de dihydrogène vient-elle d'être révolutionnée grâce à l'invention de l'Isothermal Water-Splitting ? Rien ne permet encore de l'affirmer, mais les avancées faites en ce sens sont conséquentes. Dorénavant, les réacteurs et leurs oxydes métalliques n'ont plus besoin d'être refroidis pour fonctionner, de quoi gagner du temps dans la journée... et donc produire plus.

Cette représentation artistique montre une centrale de production d’hydrogène composée de quatre tours. Les réacteurs, sur lesquels se focalisent les miroirs, se situent à leur sommet. C’est à cet endroit précis que le précieux gaz est produit. © Muhich et al., Science, 2013

Le dihydrogène (H2) est souvent appelé « carburant du futur », car sa combustion ne produit que de l'eau (H2O). Or, le développement de ce marché soufre d'un inconvénient de taille : ce gaz inflammable doit obligatoirement être produit, ce qui se fait souvent en rompant des molécules d’eau. Mais la plupart des procédés actuellement exploités pour y parvenir n'affichent pas l'aspect durable et renouvelable de leur produit final, car ils sont énergivores. Cependant, des solutions existent.

L'une d'entre elles fait rêver nombre de scientifiques : utiliser l'énergie solaire, dont la disponibilité ne risque pas de diminuer à l'avenir, pour briser les molécules d'eau. Pour ce faire, ils ont imaginé le principe du Solar Thermal Water-Splitting (STWS). Dans une centrale solaire à concentration, des milliers de miroirs réfléchissent la lumière solaire sur le sommet d'une tour, où la température peut alors grimper jusqu'à 1.350 °C. Cette chaleur est ensuite utilisée pour chauffer des oxydes métalliques (comme l'oxyde de cérium IV) qui vont se réduire, et donc se transformer, en libérant de l'oxygène (O2). Après une phase de refroidissement (1.000 °C), de la vapeur est injectée dans le réacteur. 

Les oxydes vont alors attirer les molécules d'eau et « saisir » leurs atomes d'oxygène (phase d'oxydation). Ceci entraîne la libération des atomes d’hydrogène qui leur étaient associés, qui vont finir par s'unir par paires, avant d'être récupérés. Ce système a pourtant deux inconvénients majeurs : les changements de température causent des pertes d'efficacité et de temps, puisqu'il faut attendre que le système refroidisse. Après tout, une journée ne fait que 24 heures ! Des chercheurs de l'université du Colorado à Boulder se sont dernièrement penchés sur la question... jusqu'à trouver la solution. Présentée dans la revue Science, elle porte le nom d'Isothermal Water-Splitting (ITWS).

Certaines voitures roulent déjà au dihydrogène, mais leur approvisionnement pose un réel problème. © DECCgovuk, Flickr, cc by nc nd 2.0

Fatigue des matériaux à prendre en compte dans la production d'hydrogène

Les chercheurs sous la direction d'Alan Weimer ont pris les autres théories à contre-pied, en imaginant un système où il ne faut pas de changement de température entre les phases de réduction et d'oxydation. Ils ont donc utilisé un dérivé de l'hercynite, un oxyde métallique qui contient du fer, du cobalt, de l'aluminium et de l'oxygène. Ses propriétés ont bien évidemment été testées en laboratoire, à température constante, mais aussi selon les anciennes pratiques.

Dans les mêmes conditions expérimentales, le procédé isotherme a en moyenne produit 102 µmol/g de dihydrogène, contre 31,4 µmol/g pour l'ancienne technique. Ainsi, la productivité du système a tout simplement triplé. Un test a également été réalisé avec l'oxyde de cérium IV chauffé à 1.350 °C, puis refroidi à 1.000 °C. Résultat : une production de 16,4 µmol/g de H2, soit 6 fois moins qu'avec le dérivé de l'hercynite à température constante. À noter : l'efficacité du dispositif est intimement liée à la quantité d'oxyde présente dans le réacteur et à celle de vapeur injectée dans le système. 

Cette filière semble prometteuse, mais elle n'en est qu'à ses débuts. Plusieurs années vont encore s'écouler avant qu'elle ne se développe dans un cadre industriel. Dans leurs travaux à venir, les scientifiques vont déterminer jusqu'à quelle température ils peuvent descendre sans dégrader les réactions. En effet, la résistance du réacteur et des oxydes métalliques est mise à rude épreuve en raison des forts écarts de température qu'ils doivent supporter entre le jour et la nuit (ils se dilatent avec la chaleur, et se contractent dès que le Soleil disparaît). En tout cas, voilà un nouveau projet de production de dihydrogène à suivre...

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